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문제 정의
- 이 중 GLD 프로그램은 유일하게 수평형 지중 열교환기를 설계할 수 있는 프로그램이다. 따라서 본 연구에서는 GLD를 이용하여 열교환기 형태, 굴착 깊이, 지반의 열전도도와 같은 인자들을 변화시키며 소요 트렌치 길이와 그에 따른 시공비를 산출하고자 하였다. Table 1은 GLD 시뮬레이션에 적용된 입력 변수를 보여주고 있다.
- 따라서 본 연구에서는 국외에서 수행되었던 내용들을 토대로 GLD(ground loop design)(10)을 이용하여 수평형 시스템에 대한 효율 및 경제성 분석을 수행하고자 하였으며 통계적 방법을 이용하여 수평형 시스템에 미치는 영향 인자를 분석하고자 하였다.
제안 방법
- (14) 본 연구에서는 SPSS 평가판 프로그램을 이용하여 더미회귀분석을 실시하였다. 3U형을 기본으로 수평 slinky(D수평S)와 수직 slinky(D수직S)를 더미 변수로 설정하였다. Fig.
- Slinky 타입 열교환기의 Pitch와 직경은 91cm로 유지한체 3U, 수평 slinky, 수직 slinky에 대하여 굴착 깊이별로 소요 트렌치 길이를 산정하였다(Table 3 & Fig. 3).
- 상관분석 결과 지반의 열전도도와 굴착 깊이가 트렌치 길이에 미치는 영향이 가장 크게 나탔으며 음의 상관관계를 나타냈다. 다중회귀분석을 실시하기 전 독립변수 간 다중공선성(multi-collinearity)을 검토하였다. 독립변수의 VIF 값이 1.
- 또한 수평형 열교환기의 타당성 검증을 위해 수직 밀폐형을 시공했을 때 공사비와 공사 기간을 똑같은 과정을 통하여 산출하였다(Table 6). 수직밀폐형의 경우 역시 GLD를 이용하여 수평형에 적용된 냉난방 부하와 히트펌프를 동일하게 적용하였으며 일반적으로 적용되는 보어홀 및 지반 조건을 입력인자로 사용하였다.
- 또한 수평형 열교환기의 타당성 검증을 위해 수직 밀폐형을 시공했을 때 공사비와 공사 기간을 똑같은 과정을 통하여 산출하였다. 지반의 열전도도가 0.
- 5m로 설정하였으며 열교환기 파이프의 피치와 직경비를 1로 설정하였다. 또한 지반의 열전도도를 변화시키며 수직 밀폐형과의 공사비와 공기를 비교하였다.
- 본 연구에서는 GLD 프로그램을 이용하여 수평형 지중 열교환기 시스템에 대한 효율 및 경제성을 분석하였으며 더미 회귀분석을 이용하여 이에 미치는 인자 분석을 실시하였다.
- 수평형 열교환기 설계에 미치는 영향 인자들을 분석하기 위하여 열교환기 타입, 트렌치 굴착 깊이, 지반의 열전도도를 독립변수로 설정하였으며 그에 따른 트렌치 길이를 종속변수로 설정하여 인자별 상관분석과 더미 회기분석을 실시하였다. 통계분석 결과 수평형 열교환기를 설계하는데 있어서는 지반의 열전도도와 굴착 깊이가 중요한 인자라는 것을 알 수 있었으며 향후 이를 고려한 수평형 열교환기 설계 모듈 개발이 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 수평형 열교환기 설계에 미치는 영향 인자들을 살펴볼 필요성이 있다. 열교환기 타입, 트렌치 굴착 깊이, 지반의 열전도도를 독립 변수로 설정하였으며 그에 따른 트렌치 길이를 종속변수로 설정하였다. 열교환기 타입은 앞과 동일하게 3U자형, 수평 slinky형 그리고 수직 slinky형태의 세가지 수준으로 하였으며 트렌치 깊이는 1m에서 5m까지 그리고 지반의 열전도도는 0.
- 열교환기 타입, 트렌치 굴착 깊이, 지반의 열전도도를 독립 변수로 설정하였으며 그에 따른 트렌치 길이를 종속변수로 설정하였다. 열교환기 타입은 앞과 동일하게 3U자형, 수평 slinky형 그리고 수직 slinky형태의 세가지 수준으로 하였으며 트렌치 깊이는 1m에서 5m까지 그리고 지반의 열전도도는 0.5~1.1까지 값을 변화시키며 종속 변수에 미치는 영향을 분석하였다. 열교환기 타입의 경우 연속형 변수가 아닌 범주형 변수이기에 일반적인 회귀분석을 실시할 수가 없으며 이를 더미변수(dummy variable)로 변환하여 더미회귀분석을 실시하여야 한다.
- Table 3의 결과를 바탕으로 2014년도 건설공사 토목표준품셈(13)을 이용하여 각 공정에 대한 단가를 산출하여 Table 4와 같이 시공비를 산정하였으며 장비 일수를 고려하여 전체 공사 공기를 계산하였다(Table 5). 이중 파이프 설치 공정은 견적으로 처리하였다.
데이터처리
- 열교환기 타입의 경우 연속형 변수가 아닌 범주형 변수이기에 일반적인 회귀분석을 실시할 수가 없으며 이를 더미변수(dummy variable)로 변환하여 더미회귀분석을 실시하여야 한다.(14) 본 연구에서는 SPSS 평가판 프로그램을 이용하여 더미회귀분석을 실시하였다. 3U형을 기본으로 수평 slinky(D수평S)와 수직 slinky(D수직S)를 더미 변수로 설정하였다.
- 4는 더미회귀분석 전 종속변수의 정규성 검증을 나타내기 위한 P-P 도표이며 종속변수들이 직선에 모여 있으므로 정규분포 가정을 만족한다고 할 수 있다. 지반 열전도도, 열교환기 종류, 굴착 깊이가 트렌치 길이에 미치는 영향에 대하여 열교환기 종류를 더미변수로 설정하여 인자별 상관분석과 다중회귀분석을 실시하였다. 상관분석 결과 지반의 열전도도와 굴착 깊이가 트렌치 길이에 미치는 영향이 가장 크게 나탔으며 음의 상관관계를 나타냈다.
성능/효과
- (14) 회귀분석을 실시한 결과, 지반 열전도도(p<.001), 수평slinky 열교환기(p<.05), 굴착 깊이(p<.001)는 trench 깊이에 유의한 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 같은 냉난방 부하를 지중에서 처리한다는 가정하에 최적의 굴착 깊이는 2~2.5m인 것으로 나타났으며 3U 타입이 수평 slinky와 수직 slinky 타입보다 약 30~40% 정도 시공비가 적게 드는 것으로 나타났다. 이는 slinky형의 경우 파이프 제작 단가가 3U와 같은 직관에 비해 2~3배 비싸며 굴착 및 다짐 공사와 같은 공사비보다 파이프와 같은 설비비가 차지하는 비중이 크기 때문인 것으로 판단된다.
- 더미회귀분석결과 트렌치 길이를 설명하는 설명력은 62.9%이며, 지반 열전도도 (β=-.649), 굴착 깊이(β=-.433) 순으로 영향을 주는 것으로 드러났다.
- 지반 열전도도, 열교환기 종류, 굴착 깊이가 트렌치 길이에 미치는 영향에 대하여 열교환기 종류를 더미변수로 설정하여 인자별 상관분석과 다중회귀분석을 실시하였다. 상관분석 결과 지반의 열전도도와 굴착 깊이가 트렌치 길이에 미치는 영향이 가장 크게 나탔으며 음의 상관관계를 나타냈다. 다중회귀분석을 실시하기 전 독립변수 간 다중공선성(multi-collinearity)을 검토하였다.
- 1 & Table 2). 시뮬레이션 결과 열교환기 pitch와 diameter가 동일한 경우 총 시공비가 가장 적게 산출되었다(Fig. 2).
- 001)는 trench 깊이에 유의한 영향을 주는 것으로 나타났다. 열전도도가 클수록(B=-1161.111) 굴착 깊이가 깊을수록(B=-147.006) 트렌치 길이가 짧은 것으로 나타났으며, 열교환기 종류는 Line 형보다 수평 slinky(B=-230.722) 의 트렌치 길이가 짧은 것으로 드러났다. 또한 Line 형과 수직 slinky와는 유의한 차이가 없었다.
- 또한 Table 3과 같이 3U 타입의 경우 수평 slinky 타입 보다 굴착 길이가약 20% 더 많이 요구되기에 그만큼 차지하는 부지면적도 증가할 것이다. 전체적으로 효율 대비 비용은 3U 타입이 유리하며 공사기간 그리고 부지면적 등을 고려해봤을 때는 slinky 타입이 유리한 것으로 판단된다.
- 또한 굴착 깊이가 5m에서는 오히려 소요길이가 더 증가하였는데 이는 지반의 온도가 일정한 상태에서 냉방 난방 소요 길이가 바뀌기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 굴착 깊이가 3m에서 5m로 증가할 때 냉방 요구 길이는 증가하고 난방 소요 길이는 감소하는 경향을 보였다.
- 이는 냉방과 난방 소요 길이 중 큰 값을 나타낸다. 지반의 굴착 깊이가 증가할수록 열교환기와 지반과의 열전달 범위가 증가하기에 트렌치 소요 길이는 감소하였다. slinky 타입이 3U 타입보다 열전달이 우수하기에 트렌치 소요 길이는 10~30% 가량 적게 소요되었으나 굴착 길이가 3m 이상에서는 세가지 타입 모두 큰 차이를 보이지는 않았다.
- Table 6에서와 같이 지반의 열전도도가 0.8W/m･K 이상인 경우 수평형이 수직 밀폐형보다 약 2배 이상 공사비가 저렴한 것으로 나타났으며 공기는 약 2배정도 더 소요되는 것으로 나타났다. 지반의 열전도도가 1W/m･K 이상의 값에서는 공사기간에 있어서도 수직 밀폐형과 큰 차이가 없었으며 공사비도 2~3배 정도 적게 산출되었다.
- 8W/m･K 이상인 경우 수평형이 수직 밀폐형보다 약 2배 이상 공사비가 저렴한 것으로 나타났으며 공기는 약 2배정도 더 소요되는 것으로 나타났다. 지반의 열전도도가 1W/m･K 이상의 값에서는 공사기간에 있어서도 수직 밀폐형과 큰 차이가 없었으며 공사비도 2~3배 정도 적게 산출되었다. 하지만 열전도도가 0.
- 433) 순으로 영향을 주는 것으로 드러났다. 통계분석 결과 수평형 열교환기를 설계하는데 있어서는 지반의 열전도도와 굴착 깊이가 중요한 인자라는 것을 알 수 있었다.
- 이는 slinky형의 경우 파이프 제작 단가가 3U와 같은 직관에 비해 2~3배 비싸며 굴착 및 다짐 공사와 같은 공사비보다 파이프와 같은 설비비가 차지하는 비중이 크기 때문인 것으로 판단된다. 하지만 공사 기간의 경우 3U 타입의 경우 트렌치 굴착 면적이 많이 소요되므로 공기는 가장 크게 나타났으며 수평 slinky보다 공사기간이 대략 1~2일 더 많이 소요되는 것으로 나타났다. 또한 Table 3과 같이 3U 타입의 경우 수평 slinky 타입 보다 굴착 길이가약 20% 더 많이 요구되기에 그만큼 차지하는 부지면적도 증가할 것이다.
후속연구
- 이 중 수평형 시스템은 설치 부지가 충분할 경우 수직형에 비해 적은 비용으로 설치할 수 있기 때문에 경제적인 시스템이다.(6) 즉 넓은 부지만 확보된다면 별도의 천공 작업 없이 설치가 가능하기에 농어촌 지역에 효율적인 활용이 가능할 것이다. 수평형 시스템의 적용에 관련된 국외 연구의 경우 Wu et al.
- 수평형 열교환기 설계에 미치는 영향 인자들을 분석하기 위하여 열교환기 타입, 트렌치 굴착 깊이, 지반의 열전도도를 독립변수로 설정하였으며 그에 따른 트렌치 길이를 종속변수로 설정하여 인자별 상관분석과 더미 회기분석을 실시하였다. 통계분석 결과 수평형 열교환기를 설계하는데 있어서는 지반의 열전도도와 굴착 깊이가 중요한 인자라는 것을 알 수 있었으며 향후 이를 고려한 수평형 열교환기 설계 모듈 개발이 필요할 것으로 판단된다.
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